RU2573446C1 - Method of determining amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of field sensitivity of hydroacoustic receiver - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: stand comprises a radiator, a reversible transducer and a calibrated hydroacoustic receiver, which are arranged in a measuring reservoir at the same line and spaced apart by a certain distance. The radiator and the reversible transducer are alternately excited by an electrical signal and field transfer impedances of the radiator-calibrated receiver pair, radiator-reversible transducer pair and the reversible transducer-calibrated receiver pair are determined. The amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of the field sensitivity of the calibrated hydroacoustic receiver to sound pressure are calculated using a reciprocity method formula. The amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of the field sensitivity of the hydroacoustic receiver to hydroacoustic field vector values are determined using formulae

EFFECT: broader functional capabilities.

1 dwg

Description

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для градуировки (определения амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик чувствительности) по полю векторного гидроакустического приемника.The invention relates to acoustic measurements and can be used for calibration (determining the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of sensitivity) in the field of a vector sonar receiver.

К настоящему времени благодаря совершенствованию конструкции векторных гидроакустических приемников частотный диапазон векторно-фазовых измерений удалось расширить до 12,5 кГц, что потребовало соответствующего расширения частотного диапазона и разработки новых методов градуировки векторных приемников.To date, due to the improvement of the design of vector sonar receivers, the frequency range of vector-phase measurements has been expanded to 12.5 kHz, which required a corresponding expansion of the frequency range and the development of new methods for calibrating vector receivers.

Известен способ градуировки векторного гидроакустического приемника в поле стоячей звуковой волны, которое создают в вертикальном столбе жидкости, колеблющемся в жесткой акустической камере, имеющей вид открытой сверху трубы [1, 2].A known method of calibrating a vector sonar receiver in the field of a standing sound wave, which is created in a vertical column of liquid oscillating in a rigid acoustic chamber, having the form of an open pipe from above [1, 2].

Возможности известного способа ограничены частотой 1-2 кГц (так называемой, критической частотой камеры). Попытки выполнить в камере градуировки на более высоких частотах приводят к значительному увеличению погрешности результата, что обусловлено как усложнением математической модели камеры, так и возрастающими с частотой искажениями звукового поля устанавливаемым в камеру градуируемым векторным приемником с его системой крепления. Недостатком известного способа является также то, что в результате градуировки не удается определить фазочастотную характеристику чувствительности векторного приемника.The capabilities of the known method are limited to a frequency of 1-2 kHz (the so-called critical camera frequency). Attempts to perform calibrations in the chamber at higher frequencies lead to a significant increase in the error of the result, which is due to both the complication of the mathematical model of the camera and the distortion of the sound field that increases with the frequency of the calibrated vector receiver installed in the camera with its mounting system. A disadvantage of the known method is also that as a result of calibration, it is not possible to determine the phase-frequency characteristic of the sensitivity of the vector receiver.

За прототип принят способ определения чувствительности гидроакустического приемника звукового давления методом взаимности в свободном поле, который применяют на частотах от единиц килогерц и выше для градуировки гидрофона [3, 4].The prototype adopted a method for determining the sensitivity of a sonar receiver of sound pressure by the reciprocity method in a free field, which is used at frequencies from units of kilohertz and above for calibration of the hydrophone [3, 4].

Метод взаимности основан на использовании обратимого преобразователя, чувствительности которого на прием и излучение связаны известной зависимостью (параметр взаимности). Метод позволяет выполнять градуировку без использования опорного акустического приемника с известной чувствительностью, при этом дает возможность получать значения фазового угла чувствительности.The reciprocity method is based on the use of a reversible transducer, the sensitivity of which to reception and radiation are connected by a known dependence (reciprocity parameter). The method allows calibration without using a reference acoustic receiver with a known sensitivity, while making it possible to obtain the phase angle of sensitivity.

Прототип, например в [4], заключается в расположении в измерительном бассейне с водой излучателя Р, обратимого преобразователя T и градуируемого приемника R при известных расстояниях r_PR между излучателем и приемником, r_PT между излучателем и обратимым преобразователем и r_TR между обратимым преобразователем и приемником достаточно больших для формирования на приемнике локально-плоских сферических звуковых волн излучателя и обратимого преобразователя, а на обратимом преобразователе - локально-плоской волны излучателя, возбуждении излучателя электрическим сигналом, измерении тока через излучатель и выходных напряжений приемника и обратимого преобразователя, возбуждении обратимого преобразователя электрическим сигналом, измерении тока через обратимый преобразователь и выходного напряжения приемника, определении частотных зависимостей комплексных передаточных импедансов по полю Z_PR(ƒ) пары излучатель - градуируемый приемник, Z_PT(ƒ) пары излучатель - обратимый преобразователь, Z_TR(ƒ) пары обратимый преобразователь - градуируемый приемник, определении амплитудно-частотной $$\left|M_R(ƒ)\right|$$

и фазочастотной arg(Μ_R(ƒ)) характеристик чувствительности по полю градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формуламThe prototype, for example, in [4], consists in the arrangement of a radiator P, a reversible transducer T and a graduated receiver R in a measuring pool with water at known distances r _PR between the emitter and the receiver, r _PT between the emitter and the reversible transducer, and r _TR between the reversible transducer and the receiver is large enough for the formation of locally flat spherical sound waves of the emitter and the reversible transducer on the receiver, and on the reversible transducer - the locally flat spherical sound waves of the emitter, the excitation emits A electrical signal, measuring the current through the emitter and receiver output voltages and reversible transducer excitation reversible transducer electrical signal, measuring the current through the reversible converter, and receiver output voltage, determining the frequency dependent complex transfer impedances of field Z _PR (ƒ) pair of emitter - calibrated receiver , Z _PT (ƒ) pair of emitter - reversible converter, Z _TR (ƒ) pairs of reversible converter - the calibrated receiver, determining an amplitude-frequency th $$\left|M_R(ƒ)\right|$$

and phase-frequency arg (Μ _R (ƒ)) characteristics of sensitivity along the field of the graduated sonar receiver to sound pressure according to the formulas

где ƒ - частота, ρ - плотность воды, |…| и arg(…) означают соответственно модуль и аргумент комплексной частотной зависимости, k=2π/λ - волновое число, λ - длина звуковой волны, с - скорость звука в воде.where ƒ is the frequency, ρ is the density of water, | ... | and arg (...) mean respectively the modulus and argument of the complex frequency dependence, k = 2π / λ is the wave number, λ is the length of the sound wave, and c is the speed of sound in water.

Недостатком прототипа является то, что способ позволяет определить только амплитудно- и фазочастотную характеристики чувствительности приемника к звуковому давлению (скалярной величине гидроакустического поля). Возможности метода ограничены градуировкой гидрофонов (гидроакустических приемников звукового давления).The disadvantage of the prototype is that the method allows to determine only the amplitude and phase frequency characteristics of the sensitivity of the receiver to sound pressure (scalar magnitude of the hydroacoustic field). The capabilities of the method are limited by the calibration of hydrophones (sonar receivers of sound pressure).

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является расширение возможностей известного способа определения чувствительности по полю гидроакустического приемника за счет обеспечения возможности градуировать по полю гидроакустический векторный приемник (приемник градиента и биградиента звукового давления, колебательной скорости и ускорения и т.п.) в расширенном до 12,5 кГц и выше частотном диапазоне.The technical result obtained from the implementation of the invention is to expand the capabilities of the known method for determining sensitivity in the field of a hydroacoustic receiver by providing the ability to calibrate a hydroacoustic vector receiver in a field (receiver of gradient and bi-gradient of sound pressure, vibrational velocity and acceleration, etc.) in extended to 12.5 kHz and higher frequency range.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе, заключающемся в расположении в измерительном бассейне с водой излучателя Р, обратимого преобразователя T и градуируемого приемника R при известных расстояниях r_PR между излучателем и приемником, r_PT между излучателем и обратимым преобразователем и r_TR между обратимым преобразователем и приемником достаточно больших для формирования на приемнике локально-плоских сферических звуковых волн излучателя и обратимого преобразователя, а на обратимом преобразователе - локально-плоской волны излучателя, возбуждении излучателя электрическим сигналом, измерении тока через излучатель и выходных напряжений приемника и обратимого преобразователя, возбуждении обратимого преобразователя электрическим сигналом, измерении тока через обратимый преобразователь и выходного напряжения приемника, определении частотных зависимостей комплексных передаточных импедансов по полю Z_FR(ƒ) пары излучатель - градуируемый приемник, Z_PT(ƒ) пары излучатель - обратимый преобразователь, Z_TR(ƒ) пары обратимый преобразователь - градуируемый приемник, определении амплитудно-частотной $$\left|M_R(ƒ)\right|$$

и фазочастотной arg(MR(ƒ)) характеристик чувствительности по полю градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формуламThis technical result is achieved due to the fact that in the known method, consisting in the location in the measuring pool of water of the emitter P, the reversible transducer T and the graduated receiver R at known distances r _PR between the emitter and the receiver, r _PT between the emitter and the reversible transducer and r _TR between the reversible transducer and the receiver is large enough to form locally flat spherical sound waves of the emitter and the reversible transducer on the receiver, and on the reversible transducer, a locally plane wave of the emitter, excitation of the emitter by an electric signal, measuring the current through the emitter and the output voltages of the receiver and the reversible transducer, exciting the reversible transducer by an electric signal, measuring the current through the reversible transducer and the output voltage of the receiver, determining the frequency dependences of the complex transfer impedances from the field Z _FR ( ƒ) pairs of emitter - graduated receiver, Z _PT (ƒ) pairs of emitter - reversible converter, Z _TR (ƒ) pairs of reversible converter - graduated receiver, determining the amplitude-frequency $$\left|M_R(ƒ)\right|$$

and phase-frequency arg (MR (ƒ)) characteristics of the sensitivity over the field of the graduated sonar receiver to sound pressure using the formulas

где ƒ - частота, ρ - плотность воды, |…| и arg(…) означают соответственно модуль и аргумент комплексной частотной зависимости, k=2π/λ - волновое число, λ - длина звуковой волны, с - скорость звука в воде, амплитудно-частотную $$\left|M_R^{\text{'}}(ƒ)\right|$$

и фазочастотную $$\arg (M_R^{\text{'}}(ƒ))$$

характеристики чувствительности по полю гидроакустического приемника к векторным величинам гидроакустического поля определяют по формуламwhere ƒ is the frequency, ρ is the density of water, | ... | and arg (...) mean respectively the modulus and argument of the complex frequency dependence, k = 2π / λ is the wave number, λ is the length of the sound wave, and s is the speed of sound in water, the amplitude-frequency $$\left|M_R^{\text{'}\text{'}}(ƒ)\right|$$

and phase-frequency $$\arg (M_R^{\text{'}\text{'}}(ƒ))$$

sensitivity characteristics of the field of the hydroacoustic receiver to the vector values of the hydroacoustic field are determined by the formulas

где для гидроакустического приемника градиента звукового давления $$\left|\theta (r)\right|=\frac{\sqrt{k^2{r}^2+1}}{r}$$

и arg(θ(r))=arctg(kr), для приемника колебательной скорости частиц воды

where for the sonar receiver of the sound pressure gradient $$\left|\theta (r)\right|=\frac{\sqrt{k^2{r}^2+\mathrm{one}}}{r}$$

and arg (θ (r)) = arctan (kr), for the receiver of the vibrational velocity of water particles

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема расположения преобразователей в измерительном бассейне при градуировке гидроакустического векторного приемника.The invention is illustrated by the drawing, which shows the location of the transducers in the measuring pool during graduation of the sonar vector receiver.

Обратимый преобразователь Т, векторный гидроакустический приемник R и излучатель P располагают в измерительном бассейне на одной прямой, как это показано на чертеже с излучателем. Расстояния r_PT между излучателем и обратимым преобразователем, r_PR между излучателем и векторным приемником, r_TR между обратимым преобразователем и векторным приемником выбирают такими, чтобы падающие в измерительном эксперименте на обратимый преобразователь и векторный приемник сферические волны можно считать локально плоскими.The reversible transducer T, the vector sonar receiver R and the emitter P are located in the measuring pool on a straight line, as shown in the drawing with the emitter. The distances r _PT between the emitter and the reversible transducer, r _PR between the emitter and the vector detector, r _TR between the reversible transducer and the vector receiver are chosen so that spherical waves incident on the reversible transducer and the vector receiver can be considered locally plane.

Возможность комплексной градуировки по полю векторного приемника с использованием метода взаимности поясним на примере приемника градиента звукового давления (ПГД).The possibility of a comprehensive calibration over the field of a vector receiver using the reciprocity method is illustrated by the example of a sound pressure gradient (PGD) receiver.

Комплексное напряжение U_PR на выходе ПГД, находящегося в поле сферической волны на расстоянии r_PR от излучателя, пропорционально градиенту звукового давления:The complex voltage U _PR at the output of the PGD located in the field of a spherical wave at a distance r _PR from the emitter is proportional to the sound pressure gradient:

где $$M_R^{\text{'}}$$

- комплексная чувствительность к градиенту звукового давления, $$\frac{\partial p}{\partial r}=p_{sph}(r)\theta (r)$$

и $$p_{sph}=\frac{p_0{r}_0}{r}{e}^{-jk(r-r_{{}_0})}$$

- соответственно градиент звукового давления и звуковое давление в сферической волне на расстоянии r от излучателя,

[1].Where $$M_R^{\text{'}\text{'}}$$

- integrated sensitivity to the gradient of sound pressure, $$\frac{\partial p}{\partial r}=p_{sph}(r)\theta (r)$$

and $$p_{sph}=\frac{p_0{r}_0}{r}{e}^{-jk(r-r_{{}_0})}$$

- respectively, the gradient of sound pressure and sound pressure in a spherical wave at a distance r from the emitter,

[one].

Комплексный передаточный импеданс Z_PR пары излучатель - градуируемый ПГД получают как отношение комплексного выходного напряжения канала U_PR к комплексному току излучателя I_P:The complex transfer impedance Z _{PR of the} emitter-graded PGD pair is obtained as the ratio of the complex output voltage of the channel U _PR to the complex emitter current I _P :

где r_PR - расстояние между ПГД и излучателем, S_P - комплексная чувствительность на излучение к току.where r _PR is the distance between the PGD and the emitter, S _P is the complex radiation sensitivity to current.

Запись комплексного передаточного импеданса Z_TR пары обратимый преобразователь - ПГД имеет аналогичный вид:The record of the complex transfer impedance Z _{TR of a} pair of a reversible converter - PGD has a similar form:

где r_TR - расстояние между ПГД и обратимым преобразователем, где S_T и I_T - соответственно комплексные чувствительность на излучение к току и ток через обратимый преобразователь.where r _TR is the distance between the PGD and the reversible transducer, where S _T and I _T are the complex sensitivity to radiation to current and current through the reversible transducer, respectively.

В общепринятой записи комплексный передаточный импеданс Z_PT пары излучатель - обратимый преобразователь (преобразователей звукового давления) имеет вид:In the conventional notation, the complex transfer impedance Z _{PT of a} pair of emitter - reversible transducer (sound pressure transducers) has the form:

где r_PT - расстояние между излучателем и обратимым преобразователем.where r _PT is the distance between the emitter and the reversible transducer.

В поле сферической волны комплексные чувствительность обратимого преобразователя на прием и на излучение связаны между собой через комплексный параметр взаимности, полученный Беранеком [3, 4]:In the field of a spherical wave, the complex sensitivities of a reversible transducer to receive and to radiation are interconnected via the complex reciprocity parameter obtained by Beranek [3, 4]:

Используя выражения (1), (2), (3), (4) аналогично тому, как это сделано в прототипе [4] для комплексной чувствительности гидрофона, получим формулы, позволяющие вычислять модуль $$\left|M_R^{\text{'}}\right|$$

и фазовый угол $$\arg (M_R^{\text{'}})$$

комплексной чувствительности ПГД с использованием параметра взаимности обратимого преобразователя звукового давления:Using expressions (1), (2), (3), (4) similarly to how it was done in the prototype [4] for the complex sensitivity of the hydrophone, we obtain formulas that allow to calculate the module $$\left|M_R^{\text{'}\text{'}}\right|$$

and phase angle $$\arg (M_R^{\text{'}\text{'}})$$

the integrated sensitivity of PGD using the reciprocity parameter of a reversible sound pressure transducer:

гдеWhere

Гидроакустический векторный приемник градуируют, основываясь на устанавливаемой теоретически и подтверждаемой экспериментально связи между звуковым давлением и измеряемой приемником векторной величиной гидроакустического поля, реализуемого в эксперименте. При измерениях в море векторный приемник находится на достаточном удалении от источника звука, и на него падает плоская бегущая звуковая волна. Поэтому при градуировке векторного приемника определяют чувствительность по полю, пересчитывая полученный результат к условиям, как если бы приемник находился в поле плоской бегущей звуковой волны.The hydroacoustic vector receiver is graduated based on the theoretically established and experimentally confirmed relationship between sound pressure and the measured by the receiver vector magnitude of the hydroacoustic field realized in the experiment. When measuring at sea, the vector receiver is at a sufficient distance from the sound source, and a plane traveling sound wave is incident on it. Therefore, when calibrating a vector receiver, the sensitivity is determined by the field, recounting the result to the conditions, as if the receiver was in the field of a plane traveling sound wave.

Этим достигается поставленный технический результат.This achieves the set technical result.

ЛитератураLiterature

1. Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: Физматлит, 2007. 480 с.1. Gordienko V.A. Vector-phase methods in acoustics. M .: Fizmatlit, 2007.480 s.

2. В.А. Гордиенко, Б.И. Гончаренко, С.С. Задорожный, М.В. Старкова. Расширение диапазона градуировки векторных приемников в неоднородном поле измерительных камер в сторону высоких частот // Акуст. журн. 2012, том 58, №5, с. 623-627.2. V.A. Gordienko, B.I. Goncharenko, S.S. Zadorozhny, M.V. Starkova. Extension of the calibration range of vector receivers in the inhomogeneous field of measuring chambers towards high frequencies // Akust. journal 2012, Volume 58, No. 5, p. 623-627.

3. L.D. Luker and A.L. Van Buren, "Phase calibration of hydrophones," J. Acoust. Soc. Am. 70, 516-519 (1981).3. L.D. Luker and A.L. Van Buren, "Phase calibration of hydrophones," J. Acoust. Soc. Am. 70, 516-519 (1981).

4. МЭК 60565:2006 Гидроакустика. Гидрофоны. Калибровка в частотном диапазоне от 0,01 Гц до 1 МГц (IEC 60565:2006 Underwater acoustics - Hydrophones - Calibration in the frequency range 0,01 Hz to 1 MHz) - прототип.4. IEC 60565: 2006 Hydroacoustics. Hydrophones. Calibration in the frequency range from 0.01 Hz to 1 MHz (IEC 60565: 2006 Underwater acoustics - Hydrophones - Calibration in the frequency range 0.01 Hz to 1 MHz) is a prototype.

Claims (1)

Способ определения амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик чувствительности по полю гидроакустического приемника, заключающийся в расположении в измерительном бассейне с водой излучателя P, обратимого преобразователя T и градуируемого приемника R при известных расстояниях r_PR между излучателем и приемником, r_PT между излучателем и обратимым преобразователем и r_TR между обратимым преобразователем и приемником достаточно больших для формирования на приемнике локально-плоских сферических звуковых волн излучателя и обратимого преобразователя, а на обратимом преобразователе - локально-плоской волны излучателя, возбуждении излучателя электрическим сигналом, измерении тока через излучатель и выходных напряжений приемника и обратимого преобразователя, возбуждении обратимого преобразователя электрическим сигналом, измерении тока через обратимый преобразователь и выходного напряжения приемника, определении частотных зависимостей комплексных передаточных импедансов по полю Z_PR(f) пары излучатель - градуируемый приемник, Z_PT(f) пары излучатель - обратимый преобразователь, Z_TR(f) пары обратимый преобразователь - градуируемый приемник, определении амплитудно-частотной |M_R(f)| и фазочастотной arg(M_R(f)) характеристик чувствительности по полю градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формулам

где f - частота, $$\rho$$

- плотность воды, k=2 $$\pi$$

/ $$\lambda$$

- волновое число, $$\lambda$$

- длина звуковой волны, c - скорость звука в воде, отличающийся тем, что амплитудно-частотную

и фазочастотную

характеристики чувствительности по полю гидроакустического приемника к векторным величинам гидроакустического поля определяют по формулам

где для гидроакустического приемника градиента звукового давления

и arg( $$\theta$$

(r))=arctg(kr), для приемника колебательной скорости частиц воды

и arg( $$\theta$$

(r))=-arctg(1/kr). A method for determining the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of sensitivity over the field of a hydroacoustic receiver, which consists in the location in the measuring pool of water of the emitter P, a reversible transducer T and a graduated receiver R at known distances r _PR between the emitter and the receiver, r _PT between the emitter and the reversible transducer and r _TR reversible between the transducer and the receiver sufficiently large to form on the receiver locally planar spherical sound wave emitter and obratimog transducer, and on a reversible transducer - a locally plane wave of the emitter, excitation of the emitter by an electric signal, measuring the current through the emitter and the output voltages of the receiver and the reversible transducer, exciting the reversible transducer by an electric signal, measuring current through the reversible transducer and the output voltage of the receiver, determining the frequency dependences of complex transfer impedances in the field Z _PR (f) of the emitter – graduated receiver pair, Z _PT (f) of the emitter – reversible converter pair developer, Z _TR (f) pairs of the reversible transducer is a calibrated receiver, determining the amplitude-frequency | M _R (f) | and phase-frequency arg (M _R (f)) characteristics of sensitivity along the field of the calibrated hydroacoustic receiver to sound pressure according to the formulas

where f is the frequency $$\rho$$

is the density of water, k = 2 $$\pi$$

/ $$\lambda$$

is the wave number $$\lambda$$

is the sound wavelength, c is the speed of sound in water, characterized in that the amplitude-frequency

and phase-frequency

sensitivity characteristics of the field of the hydroacoustic receiver to the vector values of the hydroacoustic field are determined by the formulas

where for the sonar receiver of the sound pressure gradient

and arg ( $$\theta$$

(r)) = arctan (kr), for the receiver of the vibrational velocity of water particles

and arg ( $$\theta$$

(r)) = - arctan (1 / kr).